Contrôle des premiers signaux La fluorescence de la zone de pompage

La qualité du pompage des atomes de césium dans un des niveaux d’horloge influe directement sur le rapport signal à bruit en zone de détection et par conséquent sur la stabilité court terme de l’horloge. Il a été vu au Chapitre 3 l’intérêt d’utiliser une diode accordée sur la raie D1 du césium à 894 nm. Comme le montre la Figure 4.1 les deux transitions 4 → 3’ et 4 → 4’ sont nettement espacées (1,16 GHz) et ne se recouvrent aucunement. Il convient cependant de vérifier les deux points suivants :

4 →3’ 4 →4’

Figure 4.1 : Signaux de fluorescence du pompage

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la bonne finesse des raies. La présence de vapeur de césium indésirable dans l’enceinte à vide peut créer un élargissement Doppler. Ceci se vérifie d’autant mieux avec une diode accordée sur la raie D1 où les deux transitions sont largement espacées. La diode utilisée étant une diode de type DBR, elle est sensible à un éventuel retour de lumière dans sa zone active qui peut de même être décelable par un élargissement des raies,

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l’influence du champ magnétique. La transition utilisée en fonctionnement d’horloge est D1 4 → 3’σ. La qualité du pompage est très dépendante de la valeur du champ magnétique statique appliqué qui doit être supérieure à 400 mG (40 µT) pour assurer une bonne efficacité [Dimarcq91]. Les signaux de fluorescence au pompage ont été étudiés en variant les valeurs du champ magnétique statique en zone de pompage. On a ainsi vérifié que cette valeur du champ magnétique et la polarisation de la lumière d’excitation étaient adéquates.

Chapitre 4 : Ajustements d’horloges 91

1.2. Franges de Ramsey

Une fois réglée l’interaction lumière – césium dans les deux zones, l’interaction micro-onde – césium peut être testée. On balaye la fréquence de la chaîne de synthèse autour de la fréquence de transition du césium f0 = 9 192 631 770 GHz. Le signal de fluorescence en zone de détection fournit l’information. La Figure 4.2 montre la frange de Ramsey ainsi obtenue (four Est). Bien qu’une telle acquisition sans traitement du signal ne puisse suffire pour analyser finement les éventuelles déformations, on peut toutefois déterminer certains paramètres de la frange qui sont largement utilisés dans les évaluations de fréquences :

-2400 -1200 0 Hertz 1200 2400

U.A.

Figure 4.2 : Acquisition de la frange de Ramsey - bτ0 = 1,5

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la largeur de la frange. Elle dépend essentiellement des caractéristiques mécaniques de la cavité, le rapport L/l =16, de la puissance micro-onde utilisée et de la distribution de vitesses des atomes. Le four utilisé est à 100 °C. La puissance micro-onde injectée est réglée à la puissance nominale de fonctionnement (soit une puissance micro-onde de l’ordre de –10 dBm dans notre cas). La largeur à mi-hauteur calculée avec ces paramètres est de l’ordre de 690 Hz. La courbe présentée ici possède une largeur d’environ 700 Hz,

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l’amplitude pic-vallée. Elle dépend notablement de la puissance injectée. En absence de

modulation, l’amplitude du champ dans la cavité qui maximise le pic-vallée est telle que

bτ0 ≈ 1,88, soit 2 dB au dessus de la puissance nominale d’horloge qui est bτ0 ≈ 1,5. Les tracés de la frange de Ramsey pour bτ0 ≈ 1,88 et bτ0 ≈ 1,5 ont été réalisés, ce qui nous a permis de vérifier que l’amplitude pic-vallée suivait les prévisions escomptées.

1.3. Piédestal de Rabi

En balayant la fréquence autour de f0 sur une plus grande excursion, on obtient la frange de Ramsey positionnée sur son piédestal de Rabi (Figure 4.3) ; celui-ci est caractéristique de l’interaction micro-onde – césium dans chacune des zones d’interaction de la cavité prise séparément. Les conditions de fonctionnement du tube lors du tracé de la Figure 4.3 sont identiques à celles utilisées pour le tracé de la frange de Ramsey ci-dessus. On vérifie sur cette courbe deux propriétés :

92 Chapitre 4 : Ajustements d’horloges -30000 -20000 -10000 0 10000 20000 30000

Hertz

U.A.

Figure 4.3 : Acquisition du piédestal de Rabi de la transition d’horloge – fZ=77166 Hz

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le bon centrage de la frange de Ramsey sur son piédestal. Toutefois, la transition d’horloge étant très peu sensible au champ magnétique comparé aux six autres transitions micro-ondes possibles dans la cavité, on ne pourrait déceler par cet examen qu’un défaut grossier de champ magnétique. L’analyse des positions des sept transitions micro-ondes sur leurs piédestaux respectifs sera reprise plus en détail au paragraphe 4.4,

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la bonne décroissance du piédestal. Il est intéressant et important d’un point de vue métrologique que les deux transitions micro-ondes voisines de la transition d’horloge (les transitions F =3,m_F =−1 → F =4,m_F =−1 et F=3,m_F =1 → F=4,m_F =1 ) soient suffisamment éloignées pour que le recouvrement avec le piédestal de la transition d’horloge soit négligeable. Pour cela, on utilise un champ magnétique statique dans la cavité valant 110 mG (11 µT). Les deux transitions voisines sont alors écartées de la transition d’horloge d’une quantité égale au déplacement de fréquence Zeeman du premier ordre soit ~ ± 77 kHz. Le bon écartement des sept transitions se voit cependant mieux sur le spectre micro-onde étudié ci-après.

1.4. Spectre des 7 transitions micro-ondes

Avec une excursion en fréquence encore plus grande, il est possible d’exciter les sept transitions micro-ondes dans la cavité. Le spectre de ces sept transitions permet de vérifier diverses conditions de fonctionnement du résonateur. Pour illustrer cette analyse nous avons choisi de présenter le spectre obtenu avec le four Ouest lors de nos premières expériences (Figure 4.4). A la différence du spectre délivré par le four Est, il a révélé un disfonctionnement au niveau du pompage optique.

Chapitre 4 : Ajustements d’horloges 93

Figure 4.4 : Premier spectre des sept transitions micro-ondes – Four Ouest

Il est possible de vérifier les points suivants :

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le bon écartement de chaque transition. La fréquence Zeeman est grande, et on vérifie que les piédestaux de chaque transition ne se recouvrent quasiment pas. Ainsi la transition d’horloge est bien isolée des transitions voisines,

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l’absence entre chaque transition des transitions π, qui apparaissent lorsque le parallèlisme entre le champ magnétique statique et le champ dans la cavité n’est pas rigoureusement satisfait (§ 4.2.2),

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le bon centrage de chaque frange de Ramsey sur son piédestal. Si le champ magnétique statique est inhomogène le long de la cavité, un décentrage peut apparaître, d’autant plus visible que |mF| est élevé (§ 4.4).

Il apparaît clairement qu’une dissymétrie existe entre les amplitudes des franges relatives aux transitions +mF et -mF. Elle est d’autant plus grande que les transitions s’éloignent du centre. La bonne symétrie du spectre micro-onde est normalement un des avantages des horloges à pompage optique par rapport aux horloges à déflexion magnétique. Elle révèle donc un comportement anormal de l’horloge qui entraîne un déplacement de fréquence de la frange de Ramsey centrale. Les causes possibles de cette dissymétrie sont : une diode laser mal accordée sur 894 nm ; une mauvaise polarisation de la lumière de pompage ; des problèmes purement expérimentaux liés au tracé du spectre.

Le fait que le spectre micro-onde associé au four Est ne présentait pas un tel défaut nous a aiguillé vers la deuxième origine. Après divers tests, le hublot d’entrée de la zone de pompage du jet issu du four Ouest s’est avéré biréfringent. Ce défaut est sans doute lié aux contraintes mécaniques dues au serrage assurant l’étanchéité ultra-vide. Une telle biréfringence conduit à une lumière en zone de pompage dont la polarisation est mal définie, entraînant une dissymétrie dans les populations des sous-niveaux lors du pompage.

L’unique remède qui s’est présenté à nous pour corriger ce défaut sans arrêter la machine a été de changer le trajet optique pour éviter ce hublot. Le schéma optique présenté au Chapitre 3 a été modifié pour utiliser le hublot de sortie comme entrée dans la zone concernée (Figure 4.5).

94 Chapitre 4 : Ajustements d’horloges Diaphragmes Polariseur λ/2 Lame 50/50 DL Est Ouest

Figure 4.5 : Schéma optique modifié

Nous avons alors pu retrouver un spectre micro-onde ne présentant pas de dissymétrie. Ceci nous a conforté quant à notre hypothèse du hublot défectueux. Toutefois utiliser cette nouvelle configuration présentait un inconvénient : le résonateur n’étant pas prévu pour cela, les divers rapports signal à bruit se sont nettement dégradés en raison notamment de diaphragmes de lumière de sortie moins contraignants, de faisceaux optiques perturbés, et de perte de puissance optique.

Finalement, la configuration optique initiale a été reprise. En ajustant à la fois la position du faisceau sur le hublot d’entrée et sa polarisation grâce aux miroirs de réglages et au polariseur en amont, nous avons pu trouver des conditions de fonctionnement où le pompage s’effectue d’une manière correcte. La dissymétrie sur le spectre a pu être minimisée. Cela s’est cependant fait au détriment du rapport signal sur bruit d’horloge qui n’a pas atteint les performances obtenues précédemment. Ce point sera repris dans la suite.

Chapitre 4 : Ajustements d’horloges 95

Dans le document Amélioration de l'exactitude d'une horloge atomique compacte à jet de césium pompé optiquement (Page 103-108)